CN109523766B - 无线控制装置中的控制系统量化器及其量化反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线控制装置中的控制系统量化器及其量化反馈控制方法，涉及无线控制装置的量化反馈控制技术领域。量化器包括依次连接的系统状态分解器、信号模数变换器、嵌入式微处理器和无线通信电路；系统状态分解器基于系统矩阵奇异值分解获得系统状态分解量；信号模数变换器对系统状态分解量进行数字化转换；嵌入式微处理器对系统矩阵进行奇异值分解，给出信息率优化分配策略，计算量化参数并进行量化；无线通信电路对量化值进行信源编码和信道编码，传输给系统状态估计器进行估值，把估计值作为控制器输入实现量化反馈控制。本发明能实现系统的量化反馈控制，并在确保系统控制性能的条件下实现所需要的信息率最小化。

Description

无线控制装置中的控制系统量化器及其量化反馈控制方法

技术领域

本发明涉及无线控制装置的量化反馈控制技术领域，尤其涉及一种无线控制装置中的控制系统量化器及其量化反馈控制方法。

背景技术

随着信息化和数字化技术在现代控制系统中的广泛应用，量化反馈控制成为了现代控制理论与控制工程中的一个非常重要的研究课题，受到了巨大的关注。如空中、陆地上、水上和水下的无线控制装置，都涉及到量化反馈控制问题。

在量化反馈控制过程中，系统状态信息需要通过无线通信通道，传输给控制器。采用数字通信将导致系统状态必须要进行量化、编码，而系统状态量化将不可避免地产生量化误差。产生的量化误差大小，直接导致控制系统的性能下降，严重时可能导致控制系统失去稳定性。系统状态量化误差大小是由传输系统状态信息的信息率大小来决定的。如果信息率越小，系统状态量化误差也就越大；相反地，如果信息率越大，系统状态量化误差也就越小。通常情况下，通信带宽都是受限的。特别是在电磁环境恶劣的条件下，无线通信的带宽更加有限，从而导致分配给每个系统状态的信息率也是很有限的。现代控制系统变得越来越复杂，对控制性能要求也越来要高。这导致有限信息率条件下的量化反馈控制问题成为了一个重要的研究课题。

目前，针对上述的有限信息率条件下的量化反馈控制问题，一个信息率优化分配策略是基于系统矩阵特征值大小来决定所需的信息率大小，从而实现总的信息率最小化。但是，当控制系统具有特征值为共轭复根的情况下，系统状态将无法完全解耦，同时分解矩阵也可能是复数矩阵。针对这种情况，如何给出一个更加有效的系统状态量化方法来实现信息率优化分配，是一个有待解决的关键性技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种无线控制装置中的控制系统量化器及其量化反馈控制方法，实现系统的量化反馈控制，并在保证满足系统控制性能条件下，降低对信息率的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种无线控制装置中的控制系统量化器，包括依次连接的系统状态分解器、信号模数变换器、嵌入式微处理器和无线通信电路；

系统状态分解器连接无线控制装置中控制系统的系统状态观测器，针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，基于系统矩阵奇异值分解实现系统状态信号的分解，从而获得系统状态分解量；

信号模数变换器用于对系统状态分解器得到的系统状态分解量进行模拟信号到数字信号的转换，实现其数字化；

嵌入式微处理器中集成系统参数初始化模块、信息率优化分配模块、量化参数计算模块和量化值生成模块；

系统参数初始化模块用于对系统参数完成初始化设置，并对系统矩阵G∈R^n×n进行奇异值分解，得到系统矩阵奇异值μ₁，μ₂，…，μ_n和分解矩阵N；

信息率优化分配模块用于对每个系统状态分解量分配信息率，基于奇异值分解给出信息率优化分配策略，在满足系统的控制性能要求下，实现所需的信息率最小化；根据奇异值大小，设定第i个系统状态分解量所分配的信息率R_i为：

比特/采样周期；

其中，μ_i为第i个系统矩阵奇异值，i＝1，2，…，n；

量化参数计算模块用于基于信息率优化分配模块所分配的信息率来计算每个系统状态分解量的量化参数，包括量化级数、量化间隔；

量化值生成模块用于基于计算得到的量化参数，对信号模数变换器数字化后的系统状态分解量进行量化，生成量化值；

无线通信电路用于对嵌入式微处理器得到的系统状态分解量的量化值进行信源编码和信道编码，经过无线通信通道传输后再译码，然后把译码后收到的量化值传输给无线控制装置中控制系统的系统状态估计器。

进一步地，所述基于信息率优化分配模块所分配的信息率计算得到的第i个系统状态分解量的量化级数m_i为：

得到第i个系统状态分解量的量化间隔Δ_i为：

其中，

和

分别表示为第i个系统状态分解量的上下界。

进一步地，所述量化值生成模块通过下面的最优化方法求得量化值：

s.t.q_i∈{1，2，…，m_i}

其中，

为第i个量化值；

为数字化后的第i个系统状态分解量；

表示

的上界，即

进一步地，所述系统状态分解器采用LF353芯片；所述信号模数变换器采用AD80141芯片；所述嵌入式微处理器采用ARM926EJ-S芯片；所述无线通信电路采用CC2541芯片。

另一方面，本发明还提供一种无线控制装置中的控制系统量化反馈控制方法，采用上述无线控制装置中的控制系统量化器实现，该方法包括以下步骤：

步骤1：系统状态分解及数字化；

针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，对系统矩阵G∈R^n×n进行奇异值分解，计算得到系统矩阵奇异值μ₁、μ₂、…、μ_n和分解矩阵N，则有：

基于系统矩阵奇异值分解，对系统状态Sk进行分解，得到的系统状态分解量

为：

通过信号模数变换器对得到的系统状态分解量

进行模数变换，得到数字化后系统状态分解量；

步骤2：信息率优化分配；

基于系统矩阵奇异值大小确定每个系统状态分解量所分配的信息率大小，第i个系统状态分解量所分配的信息率Ri为：

比特/采样周期；

其中，μ_i为第i个系统矩阵奇异值，i＝1，2，…，n；

步骤3：量化参数计算；

基于所分配的信息率，计算相应于每个系统状态分解量的量化参数，包括量化级数、量化间隔；

步骤4：量化值生成；

根据计算得到的量化参数，对数字化后的每个系统状态分解量进行量化，生成量化值；

步骤5：通过无线通信电路对所生成的量化值进行信源编码和信道编码，经过无线通信通道传输后再译码，然后把译码后的量化值传输给无线控制装置中控制系统的系统状态估计器；

步骤6：通过系统状态估计器得到系统状态的估计值，把估计值作为控制输入实施反馈控制，从而实现量化反馈控制过程。

进一步地，所述步骤3中计算得到的第i个系统状态分解量的量化级数m_i为：

得到第i个系统状态分解量的量化间隔Δ_i为：

其中，

和

分别表示为第i个系统状态分解量的上下界。

进一步地，所述步骤4中的量化值通过下面的最优化方法求得：

s.t.q_i∈{1，2，…，m_i}

其中，

为第i个量化值；

为数字化后的第i个系统状态分解量；

表示

的上界，即

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种无线控制装置中的控制系统量化器及其量化反馈控制方法，针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，基于系统矩阵奇异值分解的方式对系统状态进行分解，给出一种信息率优化分配策略和一种新的量化方法，实现系统的量化反馈控制，并在确保系统控制性能的条件下实现所需要的信息率最小化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的量化反馈控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无线控制装置中的控制系统量化器结构框图；

图3为本发明实施例提供的系统状态分解器原理图；

图4为本发明实施例提供的信号模数变换器原理图；

图5为本发明实施例提供的量化器量化反馈控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

量化反馈控制系统，如图1所示，包括被控对象、系统状态观测器、量化器、无线通信电路、无线通信通道、系统状态估计器、控制器、执行器等部分。本实施例提供一种基于奇异值信息率分配的无线控制装置中的控制系统量化器，主要适用于量化反馈控制系统，特别适合于系统矩阵具有特征值为共轭复根的线性控制系统。

一种离散线性时不变控制系统的状态方程表示为：

S_k+1＝GS_k+BU_k+FW_k

O_k＝CS_k

其中，

表示系统状态S_k∈Rⁿ的系统状态估计值；U_k∈R^p和O_k∈R^q分别表示控制输出和系统输出；W_k∈R^m表示系统干扰信号；G、B、C、L、F是适当维数的矩阵。

基于系统输出O_k，通过系统状态观测器测得系统状态。考虑到无线通信通道带宽受限，需要给出一个信息率优化分配策略，最小化传输系统状态信息的信息率。本实施例提供一种无线控制装置中的控制系统量化器，如图2所示，包括依次连接的系统状态分解器、信号模数变换器、嵌入式微处理器和无线通信电路。

系统状态分解器连接无线控制装置中控制系统的系统状态观测器，针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，基于系统矩阵奇异值分解来实现系统状态信号的分解，从而获得系统状态分解量。本实施例中的系统状态分解器采用LF353芯片，如图3所示，为一个三维的系统状态分解器，可以根据实际控制系统状态分量个数扩展电路，实现更多维数变换。LF353是结场效应管输入带宽运算放大器。特点是高输入阻抗、低噪声及输出转换速率高。系统状态观测器输出信号连接到S_k1、S_k2和S_k3管脚，

管脚是输出，连接到下级电路信号模数变换器。

信号模数变换器用于对系统状态分解器得到的系统状态分解量进行模拟信号到数字信号的转换，实现其数字化。本实施例中的信号模数变换器采用AD80141芯片，如图4所示，AD80141是一个高速模数转换器件。AD80141芯片的30和31管脚是信号出入，变换后的结果通过2-14管脚输出，并连接到下级电路嵌入式微处理器ARM926EJ-S芯片。

嵌入式微处理器中集成系统参数初始化模块、信息率优化分配模块、量化参数计算模块和量化值生成模块。系统参数初始化模块用于对系统参数完成初始化设置，并计算得到系统矩阵奇异值和分解矩阵。信息率优化分配模块用于对每个系统状态分解量分配信息率，基于奇异值分解给出信息率优化分配策略，在满足系统的控制性能要求下，实现所需的信息率最小化。量化参数计算模块是基于所分配的信息率来计算每个系统状态分解量的量化参数，包括量化级数、量化间隔。量化值生成模块是基于计算得到的量化参数，对数字化后的系统状态分解量进行量化，生成量化值。本实施例中的嵌入式微处理器采用ARM926EJ-S芯片，它是一个具有Java加速、DSP扩展和MMU的应用处理器，可支持完全版操作系统，其中包括Linux、Windows CE和Symbian。

无线通信电路用于对嵌入式微处理器生成的系统状态量化值进行信源编码和信道编码，再以无线通信的方式发射出去，经过无线通信通道传输后，再通过接收端的无线通信电路解码和系统状态估计器估值，得到系统状态估计值。把系统状态估计值作为控制器输入，产生控制输出，经过执行器，实现对控制系统的量化反馈控制。本实施例中的无线通信电路采用CC2541芯片，它是一款针对蓝牙低能耗以及私有2.4GHz应用的功率优化的真正片载系统(SoC)解决方案。

本实施例量化器的量化反馈控制方法如图5所示，针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，对系统矩阵进行奇异值分解，计算得到系统矩阵奇异值和分解矩阵；再基于系统矩阵奇异值大小来确定每个系统状态分解量所分配的信息率大小；然后基于所分配的信息率，计算相应于每个系统状态分解量的量化参数，如量化级数、量化间隔；然后，根据计算得到的量化参数，对数字化后的每个系统状态分解量进行量化，生成量化值；再通过无线通信电路对所生成的量化值进行信源编码和信道编码，经过无线通信通道传输后再译码，然后把量化值传输给系统状态估计器；通过系统状态估计器可以得到系统状态的估计值，把估计值作为控制输入实施反馈控制，从而实现量化反馈控制过程。

本实施例所述的量化反馈控制方法主要包括以下步骤：

步骤1：系统状态分解。

在上述量化反馈控制系统中，系统状态信息需要经过无线通信的方式传输给控制器，所以系统状态要被量化。通常情况下，无线通信通道带宽是受限的。为了能够最小化传输系统状态信息所需的信息率，需要对系统状态分解后再进行量化编码。

针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，对系统矩阵G∈R^n×n进行奇异值分解，得到系统矩阵奇异值μ₁、μ₂、…、μ_n和分解矩阵N，则有：

基于系统矩阵奇异值分解，对系统状态Sk进行分解，得到的系统状态分解量

为：

通过信号模数变换器对系统状态分解量

进行模数变换，得到数字化后的系统状态分解量。

步骤2：信息率优化分配。

由于无线通信通道带宽是受限，所以传输系统状态信息的信息率也是受限的。因此，需要在保证量化反馈控制系统控制性能的条件下给出信息率优化分配策略，最小化传输系统状态信息所需的信息率。

本实施例针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，根据奇异值大小，来设定每个系统状态分解量所分配的信息率R_i为：

比特/采样周期

对于该控制系统，总的所需信息率为：

比特/采样周期

步骤3：量化参数计算。

要完成量化的过程，必须要先给定量化参数。本实施例基于上述的信息率分配策略，计算得到的量化级数为：

和

分别表示为第i个系统状态分解量的上下界，则得到量化间隔Δ_i为：

基于上面得到的量化参数，就可以对数字化后的系统状态分解量进行量化了。

步骤4：量化值生成。

数字化后第i个系统状态分解量为

表示

的上界，即

基于上述的信息率分配策略所计算得到的量化参数，通过下面的最优化方法求得量化值：

s.t.q_i∈{1，2，…，m_i}

步骤5：通过无线通信电路对量化值

进行信源编码和信道编码，经过无线通信通道传输，再通过接收端无线通信电路译码码，将量化值传输给无线控制装置中控制系统的系统状态估计器。

步骤6：通过系统状态估计器的估计得到系统状态的估计值

把估计值作为控制器输入实施反馈控制，产生控制输出，经过执行器，从而实现对控制系统的量化反馈控制过程。

本实施例提供的无线控制装置中的控制系统量化器及其量化反馈控制方法，针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，基于系统矩阵奇异值分解的方式对系统状态进行分解，给出一种信息率优化分配策略和一种新的量化方法，实现系统的量化反馈控制，并在确保系统控制性能的条件下实现所需要的信息率最小化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种无线控制装置中的控制系统量化器，其特征在于：包括依次连接的系统状态分解器、信号模数变换器、嵌入式微处理器和无线通信电路；

系统状态分解器连接无线控制装置中控制系统的系统状态观测器，针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，基于系统矩阵奇异值分解实现系统状态信号的分解，从而获得系统状态分解量；

信号模数变换器用于对系统状态分解器得到的系统状态分解量进行模拟信号到数字信号的转换，实现其数字化；

嵌入式微处理器中集成系统参数初始化模块、信息率优化分配模块、量化参数计算模块和量化值生成模块；

系统参数初始化模块用于对系统参数完成初始化设置，并对系统矩阵G∈R^n×n进行奇异值分解，得到系统矩阵奇异值μ₁，μ₂，…，μ_n和分解矩阵N；

信息率优化分配模块用于对每个系统状态分解量分配信息率，基于奇异值分解给出信息率优化分配策略，在满足系统的控制性能要求下，实现所需的信息率最小化；根据奇异值大小，设定第i个系统状态分解量所分配的信息率R_i为：

比特/采样周期；

其中，μ_i为第i个系统矩阵奇异值，i＝1，2，…，n；

量化参数计算模块用于基于信息率优化分配模块所分配的信息率来计算每个系统状态分解量的量化参数，包括量化级数、量化间隔；

量化值生成模块用于基于计算得到的量化参数，对信号模数变换器数字化后的系统状态分解量进行量化，生成量化值；

无线通信电路用于对嵌入式微处理器得到的系统状态分解量的量化值进行信源编码和信道编码，经过无线通信通道传输后再译码，然后把译码后收到的量化值传输给无线控制装置中控制系统的系统状态估计器。

2.根据权利要求1所述的无线控制装置中的控制系统量化器，其特征在于：所述基于信息率优化分配模块所分配的信息率计算得到的第i个系统状态分解量的量化级数m_i为：

得到第i个系统状态分解量的量化间隔Δ_i为：

其中，

和

分别表示为第i个系统状态分解量的上下界。

3.根据权利要求2所述的无线控制装置中的控制系统量化器，其特征在于：所述量化值生成模块通过下面的最优化方法求得量化值：

s.t.q_i∈{1，2，…，m_i}

其中，

，第i个量化值；

为数字化后的第i个系统状态分解量；q_i为1～m_i中的一个数值；

表示

的上界，即

4.根据权利要求1-3任一项所述的无线控制装置中的控制系统量化器，其特征在于：所述系统状态分解器采用LF353芯片；所述信号模数变换器采用AD80141芯片；所述嵌入式微处理器采用ARM926EJ-S芯片；所述无线通信电路采用CC2541芯片。

5.一种无线控制装置中的控制系统量化反馈控制方法，采用权利要求1所述的无线控制装置中的控制系统量化器实现，该方法包括以下步骤：

步骤1：系统状态分解及数字化；

针对系统矩阵具有特征值为共轭复根的情况，对系统矩阵G∈R^n×n进行奇异值分解，计算得到系统矩阵奇异值μ₁、μ₂、…、μ_n和分解矩阵N，则有：

基于系统矩阵奇异值分解，对系统状态Sk进行分解，得到的系统状态分解量

为：

通过信号模数变换器对得到的系统状态分解量

进行模数变换，得到数字化后系统状态分解量；

步骤2：信息率优化分配；

基于系统矩阵奇异值大小确定每个系统状态分解量所分配的信息率大小，第i个系统状态分解量所分配的信息率R_i为：

比特/采样周期；

其中，μ_i为第i个系统矩阵奇异值，i＝1，2，…，n；

步骤3：量化参数计算；

基于所分配的信息率，计算相应于每个系统状态分解量的量化参数，包括量化级数、量化间隔；

步骤4：量化值生成；

根据计算得到的量化参数，对数字化后的每个系统状态分解量进行量化，生成量化值；

步骤5：通过无线通信电路对所生成的量化值进行信源编码和信道编码，经过无线通信通道传输后再译码，然后把译码后的量化值传输给无线控制装置中控制系统的系统状态估计器；

步骤6：通过系统状态估计器得到系统状态的估计值，把估计值作为控制输入实施反馈控制，从而实现量化反馈控制过程。

6.根据权利要求5所述的无线控制装置中的控制系统量化反馈控制方法，其特征在于：所述步骤3中计算得到的第i个系统状态分解量的量化级数m_i为：

得到第i个系统状态分解量的量化间隔Δ_i为：

其中，

和

分别表示为第i个系统状态分解量的上下界。

7.根据权利要求6所述的无线控制装置中的控制系统量化反馈控制方法，其特征在于：所述步骤4中的量化值通过下面的最优化方法求得：

s.t.q_i∈{1，2，…，m_i}

其中，

为第i个量化值；

为数字化后的第i个系统状态分解量；q_i为1～m_i中的一个数值；

表示

的上界，即

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